【正文】 報(bào)告描述符：報(bào)告描述符是描述報(bào)表信息的。配置描述符：是描述設(shè)備的接口信息，包括設(shè)備的USB接口數(shù)量、需要主機(jī)的電流大小、及其它的三個(gè)描述符的內(nèi)容。枚舉的數(shù)據(jù)是通過端點(diǎn)0傳輸?shù)模它c(diǎn)0是個(gè)特殊的端點(diǎn)，是USB設(shè)備必須具備的端點(diǎn)，端點(diǎn)0既可以傳輸數(shù)據(jù)也可以接收數(shù)據(jù)。HID具有以下的功能特點(diǎn)：適用于傳輸少量或中量的數(shù)據(jù)；傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間任意；傳輸速率小于最大傳輸速率。所有設(shè)備類都必須支持標(biāo)準(zhǔn)USB描述符和標(biāo)準(zhǔn)USB設(shè)備請(qǐng)求，設(shè)備類還可以自行定義自定義的描述符和設(shè)備請(qǐng)求，這分別被稱為設(shè)備類定義描述符和設(shè)備類定義請(qǐng)求[10 __12]。主機(jī)軟件控制的是USB接口，USB系統(tǒng)軟件控制USB主機(jī)的相關(guān)電路，USB主機(jī)的相關(guān)電路控制實(shí)際數(shù)據(jù)的傳輸，設(shè)備的USB相關(guān)電路控制實(shí)際數(shù)據(jù)的傳輸，設(shè)備USB驅(qū)動(dòng)程序控制USB設(shè)備相關(guān)的電路，設(shè)備應(yīng)用軟件控制數(shù)據(jù)的處理。批量傳輸模式的應(yīng)用如打印機(jī)，大容量存儲(chǔ)器。中斷傳輸模式：中斷傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是可以在任何時(shí)刻傳輸?shù)?，沒有時(shí)間限制，數(shù)據(jù)量小。同步傳輸模式：同步傳輸模式是同步數(shù)據(jù)的建立、傳送和使用時(shí)是連續(xù)且實(shí)時(shí)的，以穩(wěn)定的速率傳輸和接收實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，同步數(shù)據(jù)要使接收者與發(fā)送者保持相同的時(shí)間安排，除了傳輸速率，同步數(shù)據(jù)對(duì)傳送延遲非常敏感。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：USB系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是級(jí)聯(lián)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由三個(gè)基本部分組成：主機(jī)(Host)，集線器(Hub)和功能設(shè)備。USB不同的速率對(duì)應(yīng)于不同的應(yīng)用、特點(diǎn)如表41所示。各USB版本間能很好的兼容。 USB接口技術(shù)簡(jiǎn)介通用串行總線(Universal Serial BUS，USB)是一個(gè)外部總線標(biāo)準(zhǔn)，是用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊，是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)[8]。集成穩(wěn)壓器優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)壓性能好，提升可靠性，組裝和調(diào)試方便，能獲得高的穩(wěn)壓精度。電壓的調(diào)節(jié)需調(diào)節(jié)電阻R1。采用橋式整流器優(yōu)點(diǎn)：使用元件少，變壓器利用率和整流效率較高，輸出波紋較小，波紋電壓的基本頻率為網(wǎng)電壓頻率的2倍。圖310中。晶體振蕩電路的晶體振蕩器是8MHz的，這樣在主控芯片的鎖相環(huán)倍頻后可以是系統(tǒng)時(shí)鐘達(dá)到72MHz。我們選用的這個(gè)芯片具有兩組16位的I/O口，為PA口、PB口。圖37是主控芯片與其它模塊電路的接口、電源相關(guān)的圖，圖38是晶振電路、復(fù)位電路。第二個(gè)運(yùn)放的接法是電壓跟隨器電路，用作阻抗匹配，R1C34用作濾波。一階RC低通濾波電路的截止頻率為： (31)f0應(yīng)大于被測(cè)頻率的510倍，在被測(cè)信號(hào)頻率范圍內(nèi)，增加AD相關(guān)電路的增益線性度，以上參數(shù)的f0=。 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖35所示。頻率計(jì)電路原理圖如圖34所示。第二個(gè)運(yùn)放、R4R3R15組成正相放大電路，提升濾波電路的電壓增益，增益不能太大，否則電路產(chǎn)生振蕩。DAC8830是16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，能產(chǎn)生0VR的電壓信號(hào)，VR是芯片的3引腳的電壓。數(shù)據(jù)DM、數(shù)據(jù)DP與主控制芯片連接，傳輸?shù)氖遣罘中盘?hào)，可以減小共模噪聲對(duì)數(shù)據(jù)的影響。按照USB協(xié)議，USB電源的電流可達(dá)幾百毫安，在程序中本論文設(shè)置的電流值是100mA，下位機(jī)的控制電路不使用USB電源，減小對(duì)PC機(jī)的影響。圖31 USB接口設(shè)計(jì)電路原理圖USB_PORT的線序是USB電源線、數(shù)據(jù)線DM、數(shù)據(jù)線DP、地線按4的順序排列。第三章 下位機(jī)的硬件設(shè)計(jì) 引言第二章介紹了電化學(xué)工作站的相關(guān)知識(shí)，本章主要介紹我們改進(jìn)的電化學(xué)工作站的主控制電路的設(shè)計(jì)及原理。使接口的電平與主控制器的電平兼容。圖26 PWM波形圖AD：即模數(shù)轉(zhuǎn)換器，功能是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，我們?cè)O(shè)計(jì)、制作的樣機(jī)使用主控制芯片的片內(nèi)12位AD，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)幾百K/S。PWM模塊：PWM即脈寬調(diào)制，原理是利用電路調(diào)節(jié)多諧波的占空比，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)其他電路參數(shù)的調(diào)節(jié)，達(dá)到控制其它電路的目的。USB連接線可以使用普通的屏蔽USB線，長(zhǎng)度在幾米之內(nèi)。 電化學(xué)工作站下位機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)我們?cè)O(shè)計(jì)、制作的電化學(xué)工作站下位機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖24所示。由工作電極、輔助電極、電源組成的回路是用來傳輸電子，使工作電極產(chǎn)生相應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)的，由工作電極、參比電極組成的回路是用來測(cè)試工作電極的電位的[7]。 圖22 三電極系統(tǒng)示意圖三電極系統(tǒng)是電化學(xué)測(cè)量應(yīng)用中常用的一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要包含工作電極（working electrode,WE）、輔助電極(counter electrode,CE)、參比電極(reference electrode,RE)[7]。恒電流儀能單獨(dú)使用，也能配合其他儀器如信號(hào)發(fā)生器、直流示波器、對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換器等進(jìn)行多種動(dòng)態(tài)和靜態(tài)、暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)的試驗(yàn)測(cè)量，適用于不同的科研研究、教學(xué)試驗(yàn)和新產(chǎn)品開發(fā)及各種測(cè)量。計(jì)算機(jī)只要有Windows 7操作系統(tǒng)、USB接口，就可以使用我們研制的電化學(xué)工作站，可以是普通的微型計(jì)算機(jī)，也可以是小型計(jì)算機(jī)，還可以是大型的計(jì)算機(jī)。電化學(xué)工作站的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖如圖21所示。當(dāng)前世界上十分關(guān)注的研究課題, 如能源、材料、環(huán)境保護(hù)、生命科學(xué)等等都與電化學(xué)以各種各樣的方式關(guān)聯(lián)在一起。本章將主要介紹電化學(xué)工作站的工作原理和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。支持開發(fā)面向Windows 7的應(yīng)用程序。USB即插即用的功能使得電化學(xué)工作站的使用方便，USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)制使我們的電化學(xué)工作站的數(shù)據(jù)傳輸可靠性提高。芯片的豐富的片內(nèi)資源使得控制電路的相關(guān)電路簡(jiǎn)潔，復(fù)雜程度減小，這樣可以提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)也簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)。 本論文研究的內(nèi)容、目的及意義現(xiàn)在商品化的電化學(xué)工作站大多基于8位低性能單片機(jī)，少數(shù)使用DSP作為主控制器，ARM的STM32系列單片機(jī)是較新的高性能32位微處理器，使用ARM系統(tǒng)作為主控系統(tǒng)能極大的提升電化學(xué)工作站的性能，使用USB技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸能進(jìn)一步提升電化學(xué)工作站的性能，目前對(duì)于基于ARM系統(tǒng)的基于USB技術(shù)的電化學(xué)工作站的研究還較少。國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)八、九十年代才開始設(shè)計(jì)、制作電化學(xué)工作站[1]。電化學(xué)工作站畢業(yè)設(shè)計(jì)目 錄第一章 緒 論 1 研究背景 1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 本論文研究的內(nèi)容、目的及意義 1第二章 電化學(xué)工作站系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 3 引言 3 電化學(xué)工作站的原理 3 電化學(xué)工作站下位機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 5 本章小結(jié) 7第三章 下位機(jī)的硬件設(shè)計(jì) 8 引言 8 各模塊電路的設(shè)計(jì) 8 USB接口設(shè)計(jì) 8 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 9 頻率計(jì)電路設(shè)計(jì) 10 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 11 脈寬調(diào)制電路設(shè)計(jì) 11 ARM最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 12 電源電路設(shè)計(jì) 14 本章小結(jié) 15第四章 USB接口技術(shù) 16 引言 16 USB接口技術(shù)簡(jiǎn)介 16 HID類的特點(diǎn) 18 USB的實(shí)現(xiàn)方法 20 ARM系統(tǒng)的USB實(shí)現(xiàn)方法 20 C++的USB實(shí)現(xiàn)方法 21 本章小結(jié) 22第五章 下位機(jī)程序設(shè)計(jì) 23 引言 23 KEIL開發(fā)環(huán)境介紹 23 USB庫(kù)介紹 25 下位機(jī)各模塊程序介紹 25 USB接口程序設(shè)計(jì) 25 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊程序設(shè)計(jì) 26 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊程序設(shè)計(jì) 28 頻率計(jì)模塊程序設(shè)計(jì) 28 脈寬調(diào)制模塊程序設(shè)計(jì) 29 本章小結(jié) 29第六章 上位機(jī)程序設(shè)計(jì) 30 引言 30 VS2010開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介 30 上位機(jī)程序的實(shí)現(xiàn)方法 31 本章小結(jié) 33第七章 總結(jié) 34 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果總結(jié) 34 本論文研究完成的工作 35 存在的問題及未來的展望 35結(jié)束語(yǔ) 36參考文獻(xiàn) 37附錄 39外文資料 45中文翻譯 53 天津工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文第一章 緒 論 研究背景電化學(xué)工作站是電化學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，是電化學(xué)研究和教學(xué)中重要的測(cè)量設(shè)備，主要用于控制和監(jiān)測(cè)電化學(xué)池中的電極的電位和電流的變化。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀早在20世紀(jì)50年代，電化學(xué)的測(cè)試技術(shù)就在國(guó)外得到發(fā)展。AT89C52是8位低性能單片機(jī)，已不能滿足現(xiàn)代的實(shí)驗(yàn)科研的任務(wù)要求。本論文使用的是意法半導(dǎo)體公司的微處理器STM32F103C8T6，這是32位的處理器，使用Cortex M3內(nèi)核，主頻可以達(dá)到72MHz，64K的flash，20K的SRAM，片內(nèi)資源豐富，包含多種常用的芯片通信接口，12位的AD，1us轉(zhuǎn)換時(shí)間（多達(dá)16個(gè)輸入通道），綜合性能相比于8位單片機(jī)提升不少。最大傳輸速率12M/S，比傳統(tǒng)的RS232串口的傳輸速度大。VS2010是目前最流行的Windows平臺(tái)應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境。第二章 電化學(xué)工作站系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 引言電化學(xué)工作站是一種技術(shù)綜合性較強(qiáng)的設(shè)備，完成一臺(tái)完整的電化學(xué)工作站的設(shè)計(jì)需要電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、EDA技術(shù)、電化學(xué)等多種技術(shù)及學(xué)科。電化學(xué)在化工、冶金、機(jī)械、電子、航空、航天、輕工、儀表、醫(yī)學(xué)、材料、能源、金屬腐蝕與防護(hù)、環(huán)境科學(xué)等科技領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。電化學(xué)工作站是電化學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，是電化學(xué)研究和教學(xué)中重要的測(cè)量設(shè)備，電化學(xué)工作站的本質(zhì)是用于控制和監(jiān)測(cè)電化學(xué)池中的電流、電位及其它電化學(xué)參數(shù)變化的儀器設(shè)備[5]。 上位機(jī)的主要功能是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力分析數(shù)據(jù)，提供一個(gè)友好的軟件界面能使研究者使用電化學(xué)工作站更方便，這也是以人為本的設(shè)計(jì)思想的體現(xiàn)。恒電流儀：是一種重要的腐蝕檢測(cè)和電化學(xué)測(cè)量?jī)x器，在電極過程動(dòng)力學(xué)、電分析、電解、電鍍、金屬相分析、金屬腐蝕速度測(cè)量和各種腐蝕和防腐蝕研究，以及電化學(xué)保護(hù)參數(shù)測(cè)試等方面具有廣泛的用途[6]。三電極系統(tǒng)：三電極系統(tǒng)的示意圖如圖22所示。圖23 三電極系統(tǒng)模擬電路圖這樣，三電極系統(tǒng)便可以用兩個(gè)回路來描述。參比電極的作用是可以提供一個(gè)穩(wěn)定的電極電位。圖25 USB的A型接口圖，設(shè)備設(shè)置為全速的自定義HID類設(shè)備，傳輸速率64KB/S。頻率計(jì)模塊：頻率計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)主要使用主控制器的片內(nèi)定時(shí)器及中斷，相關(guān)電路的介紹在第三章，相關(guān)程序的介紹在第五章。PWM波形圖如圖26所示。我們?cè)O(shè)計(jì)、制作的樣機(jī)使用的是TI公司的16位高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC8830，低噪聲，轉(zhuǎn)換時(shí)間1uS，使用50MHz的快速SPI接口。介紹了我們?cè)O(shè)計(jì)、制作的樣機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理、芯片的選型、設(shè)計(jì)的原理。 USB接口設(shè)計(jì)USB接口的電路原理圖如圖31所示。這個(gè)電壓由三極管產(chǎn)生，RR路，USB_EN的電壓值是R4的電壓值。二極管D1用來保護(hù)電路，防止USB接反產(chǎn)生反向的大電流。CC4C31是電源濾波電容，是用來減小電源的噪聲的。RC70組成簡(jiǎn)單的一階RC低通濾波器。圖33 DA放大電路原理圖 頻率計(jì)電路設(shè)計(jì)頻率計(jì)功能是測(cè)量相關(guān)周期信號(hào)的頻率，可以是正弦波、三角波、方波及其它周期信號(hào)。R2C40是簡(jiǎn)單一階RC濾波電路，用作限流、濾波。衰減電路是一個(gè)電橋，電橋的特點(diǎn)是器件RR1C2C24滿足條件，那么衰減量與信號(hào)的頻率無關(guān)，在示波器的衰減電路中用的較多。R1第一個(gè)運(yùn)放、R1R1C18組成比較器電路放大主控芯片的PWM波形信號(hào)，R20可以調(diào)節(jié)波形的幅值，C3C36是濾波電容。圖36 脈寬調(diào)制電路原理圖 ARM最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)ARM最小系統(tǒng)電路原理圖如圖3圖38所示。第一個(gè)圖的BOOT1引腳，在下載程序到flash中時(shí)，需用線連接到地。有些引腳是可以連接5V的電平的，具體內(nèi)容在數(shù)據(jù)手冊(cè)有詳細(xì)的介紹。圖39 電源電路原理圖1圖310 電源電路原理圖2圖311 電源電路原理圖3圖312 電源電路原理圖4圖39中，二極管D3是保護(hù)電源、芯片的，三端穩(wěn)壓器7809的穩(wěn)壓值是9V，三端穩(wěn)壓器LM11175V的穩(wěn)壓值是5V，輸入的12V直流電壓信號(hào)經(jīng)第一個(gè)圖的相關(guān)電路穩(wěn)壓后是5V的電壓。圖311中，220V交流市電經(jīng)熱熔絲后由變壓器把220V的電壓變?yōu)?5V，然后由DDDD4組成的整流橋整流為直流電壓，依據(jù)傅里葉頻譜分析的內(nèi)容，這個(gè)直流電壓包含交流電壓的波形，需濾波電路進(jìn)行濾波，我們使用全橋整流提升整流效率。圖312中，直流電壓需三端可調(diào)穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓，三端可調(diào)穩(wěn)壓芯片LM317輸出的電壓由可調(diào)電阻R1調(diào)節(jié)，二極管DD6是用作保護(hù)功能，保護(hù)穩(wěn)壓芯片。R1R1R14是0的電阻，用作電源調(diào)試的電阻。第四章 USB接口技術(shù) 引言本章將主要介紹USB接口協(xié)議的內(nèi)容，主要介紹USB基礎(chǔ)類中的人機(jī)接口類（Human Interface Device，HID）的內(nèi)容、特點(diǎn)，以及在界面中實(shí)現(xiàn)的方法、在主控芯片實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能的方法。從1994年底發(fā)表了USB ，經(jīng)歷了多年的發(fā)展，成為當(dāng)前電腦中的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展接口。圖41 USB的速率與相關(guān)特點(diǎn)USB自從1996年推出后，已成功替代串口和并口，并成為當(dāng)今個(gè)人電腦和大量智能設(shè)備的必配的接口之一。每種外設(shè)都支持控制傳輸類型，這樣主機(jī)與外設(shè)之間就可以傳送配置和命令、狀態(tài)信息。音頻信號(hào)、視頻信號(hào)是實(shí)時(shí)的、同步的，所以是同步傳輸模式。根據(jù)其它一些總線動(dòng)作，被大量數(shù)據(jù)占用的帶寬可以相應(yīng)的進(jìn)行改變。所以，使用USB傳輸數(shù)據(jù)需主機(jī)軟件、USB系統(tǒng)軟件、USB主機(jī)的相關(guān)電路、USB線、設(shè)備USB相關(guān)電路、設(shè)備USB驅(qū)動(dòng)、設(shè)備應(yīng)用軟件。USB標(biāo)準(zhǔn)類是應(yīng)用于接口的，設(shè)備可以包括多個(gè)接口，接口可以包括多個(gè)端點(diǎn)，數(shù)據(jù)是使用端點(diǎn)傳輸?shù)?。HID設(shè)備既可以是低速設(shè)備也可以是全速設(shè)備，它適用于主機(jī)接收USB設(shè)備發(fā)來的小量到中等量的數(shù)據(jù)。HID類的數(shù)據(jù)是通過端點(diǎn)傳輸?shù)?。設(shè)備描述符：設(shè)備描述符是描述設(shè)備信息的，包括設(shè)備是哪一類，廠商號(hào)，產(chǎn)品號(hào)及其它信息。端點(diǎn)描述符：端點(diǎn)描述符是描述端點(diǎn)信息，主要包括了端點(diǎn)號(hào)、端點(diǎn)類型、端點(diǎn)大小。